CN114257548A - 一种用于康复设备的大批量数据交换方法及装置 - Google Patents

一种用于康复设备的大批量数据交换方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于在医院康复医学科使用的康复医疗器械的大批量、低延时数据交换的方法及装置，涉及数据通信技术领域。该装置包括康复装备接口模块、数据生产模块、异步变频调度模块、数据整流模块以及用户反馈模块。数据整流模块能够实现数据分流、瞬时大量数据缓冲、数据包归类、数据队列纠序、数据超载检测、数据过载检测以及数据过载维稳功能。该装置与康复设备相连接后，使康复设备能持续接收并稳定处理收到的大批量数据，以解决康复设备无法瞬时并发执行大批量指令的问题。

Description

一种用于康复设备的大批量数据交换方法及装置
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种用于康复设备的大批量数据交换方法及装置。
背景技术
康复医学中需要临床人员对患者施加保护性作用力，由此实现托举、保护、抗阻、引导等辅助训练的效果。但培养出一个专业康复人员的成本高昂，未来趋势是利用康复机器人来提供康复训练所需的肢体力量。此外，康复机器人会配合多种康复设备同时使用，必须要有一种合适的机制来调度各个康复设备，以此才能完成较好的康复训练。由于机器人行业的飞速发展，康复机器人采集到的数据种类越来越多，数据量越来越大。所以，提升康复机器人处理大吞吐量数据的能力是非常重要的。
然而，康复机器人在执行大数据量吞吐的力控操控时，力控参数变化幅度大、写入频率快、写入参数数量多等情况，会对康复机器人造成迟滞、抖动、失稳等现象，严重时还可能让力学部件(如电机)超限运行，造成安全隐患。因此，康复机器人进行大数据量吞吐的力控时必须对数据进行流控处理，也就是避免高频大数据量积压导致康复机器人“不听话、不柔顺、不安全”的恶劣操作体验。
目前，在不同设备间进行数据交换的方式有以下几种：
1.轮询阻塞。设置一个固定频率的定时器，以产生数据速度最快设备的2倍频率进行轮询。中央控制模块使用同步方式，获得全部的设备数据再计算并执行，保证了机器人的柔顺性。但计算并处理数据的逻辑需要等待频率最慢的设备，如果数据队列产生阻塞，会导致康复机器人出现迟滞、抖动等现象。
2.轮询非阻塞。设置一个固定频率的定时器，以产生数据速度最快设备的2倍频率进行轮询。不同于第一种方式，中央控制模块采用非阻塞方式，可支持不同频率的设备，故不需要等待频率最低的设备响应，拥有平均吞吐量正常，瞬时吞吐量小的特点。但也因随读随写，不等待低频率设备的特性，会导致高频率设备的数据丢失。
3.中断阻塞。使用异步技术收发数据包，没有随读随写导致高频率设备数据丢失的问题。但异步所使用的单线程技术，无法处理复杂的逻辑计算，故此方案的数据吞吐量较低。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于康复设备的大批量数据交换方法及装置，以便使康复设备能接收并处理收到的大批量数据，防止发生网络堵塞，减轻瞬时大量数据对康复设备造成的冲击。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括：
(1)解决瞬时写入大批量数据导致的数据乱序问题
(2)解决生产端瞬时产生的大批量数据无法及时发出的问题
(3)解决消费端瞬时接收大批量数据导致的网络堵塞的问题
(4)解决消费端瞬时接收大批量数据导致的系统过载问题
(5)解决消费端瞬时接收大批量数据造成计算机资源耗尽的问题
(6)解决消费端瞬时大批量数据的逻辑计算导致的康复机器人不柔顺问题
(7)如何示意操作人员当前承载量与最大承载量的关系
(8)如何在出现系统超载或过载时对操作人员进行提醒
为实现上述目的，本发明提供了一种大批量数据交换方法，包括以下步骤：
数据分流、瞬时大量数据缓冲、数据包归类、数据队列纠序、数据超载检测、数据过载检测以及数据过载维稳；
在所述数据分流步骤中，由客户端针对康复设备状态、用户输入指令及系统状态，将数据分为3类并赋予对应的数据包类型标志，通过所述数据包类型标志区分不同的数据类型，使用唯一的公共通信通道与远端进行交互；
在所述瞬时大量数据缓冲步骤中，由所述客户端设置一个生产者消费者模型队列，在收到远端数据包时增加生产者，再通过算法调配消费者进行消费，以实现对瞬时大吞吐量数据的缓冲；
在所述数据包归类步骤中，在客户端设置分流器，基于所述远端数据包中的所述数据包类型标志进行分流，以将不同数据存储在不同队列中；
在所述数据队列纠序步骤中，在客户端设置环形队列，以保存所述远端数据包；客户端收到所述远端数据包后，根据当前数据包中的“数据包当前帧”标志排序后插入所述环形队列中；
在所述数据超载检测步骤中，每次数据入队列时进行检测，如果队列当前数据量大于队列长度的80％且小于队列长度的95％，判定为数据超载状态；
在所述数据过载检测步骤中，每次数据入队列时进行检测，如果队列当前数据量大于或等于队列总长度的95％，判定为数据过载状态；
在所述数据过载维稳步骤中，当检测到存在所述数据过载状态时，停止入队列操作，等待队列中的数据量降至队列数据总量的30％以下，再恢复入队列操作。
本发明还提供了一种用于康复设备的大批量数据交换装置，包括康复装备接口模块、数据生产模块、异步变频调度模块、数据整流模块以及用户反馈模块；
所述康复装备接口模块被配置为具有环形队列，与所述异步变频调度模块配合工作，以防止瞬时大批量数据写入造成所述康复设备过载的情况；
所述异步变频调度模块使用异步调度技术，担任数据枢纽中心，对接所述康复装备接口模块、所述数据生产模块、所述用户反馈模块以及所述数据整流模块；
所述数据整流模块包括数据分流子模块、瞬时大量数据缓冲子模块、数据包归类子模块、数据队列纠序子模块、数据超载检测子模块、数据过载检测子模块以及数据过载维稳子模块；
其中，所述数据分流子模块被配置为执行所述数据分流步骤；
所述瞬时大量数据缓冲子模块被配置为执行所述瞬时大量数据缓冲步骤；
所述数据包归类子模块被配置为执行所述数据包归类步骤；
所述数据队列纠序子模块被配置为执行所述数据队列纠序步骤；
所述数据超载检测子模块被配置为执行所述数据超载检测步骤；
所述数据过载检测子模块被配置为执行所述数据过载检测步骤；
所述数据过载维稳子模块被配置为执行所述数据过载维稳步骤。
进一步地，所述康复装备接口模块包括一个包含网口及USB口的电路板，所述康复设备通过所述网口或所述USB口接入所述装置。
进一步地，所述康复装备接口模块被配置为通过标准化的软件接口，对所述康复设备完成连接、校准、初始化及切换工作状态的功能。进一步地，所述数据整流模块的硬件电路的存储器中维护“当前帧”帧号标志。
进一步地，所述“当前帧”帧号标志被配置为通过改变自身的值来实现软件进程的正常推进、后退和快进。
进一步地，所述数据生产模块包括数据采集接口，所述数据采集接口被配置为通过计算机提供的硬件采集指令，采集通过USB口连接的设备的数据。
进一步地，所述数据生产模块还包括数据打包接口，所述数据打包接口被配置为将按照第一时间间隔定时采集的数据、数据来源的设备名称及采集数据的物理时间打包成一个数据包。
进一步地，所述数据生产模块还包括数据传输接口，所述数据传输接口被配置为将打包好的所述数据包按顺序存入一个定长的环形队列，按照第二时间间隔定时从所述队列中取出未发送的所述数据包按序传输至远端；其中，所述第二时间间隔为所述第一时间间隔的整数倍。
进一步地，所述用户反馈模块配置有一个LED灯带，所述灯带亮起的长度反应实时的系统承载能力。
与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果包括：
(1)解决了瞬时写入大批量数据导致的数据乱序问题，为每个数据包设置序号，后由远方客户端根据序号进行排序。
(2)解决了生产端瞬时产生的大批量数据无法及时发出的问题，生产端使用异步技术监听设备的实时状态，做到数据的生产与发送同时完成。
(3)解决了消费端瞬时接收大批量数据导致的网络堵塞的问题，消费端使用异步技术，及时接收并处理收到的大批量数据，防止发生网络堵塞。
(4)解决了消费端瞬时接收大批量数据导致的系统过载问题，应用生产者消费者数据模型，配合环形队列技术。对数据进行分流、分类、压缩，进而减轻瞬时大量数据对系统造成的冲击。
(5)解决了消费端瞬时接收大批量数据造成计算机资源耗尽的问题，通过数据承载量检测逻辑，识别出系统超载、过载问题，提前处理队列数据，并保护联通康复设备的计算机内存，避免发生计算机资源耗尽等极端现象。
(6)解决了消费端瞬时大批量数据的逻辑计算导致的康复机器人不柔顺问题，采用异步调度模块，逻辑计算与康复设备指令写入进行读写分离，保证数据的完整且连续。
(7)能够示意操作人员当前承载量与最大承载量的关系，通过LED灯带亮起的长度与灯带总长度的对比，示意操作人员当前系统的承载量。
(8)能够在出现系统超载或过载时对操作人员进行提醒，通过LED灯带的颜色，来提醒操作人员系统超载及过载的情况。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的装置组成模块图；
图2是本发明的一个较佳实施例的装置与康复设备连接示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明提供了一种用于康复设备的大批量数据交换装置，该装置可以让带有通讯功能的康复设备进行大批量数据交换，同时该装置还具备接入公共互联网的能力。康复装备与该装置连接后，即可通过公共互联网进行大批量数据交换。
如图1所示，该装置的组成部分包括以下模块。
1、康复装备接口模块
该模块的硬件部分为一个包含网口及USB口的电路板。如图2所示，外部康复设备可通过网口或USB口接入本装置。该模块的软件部分通过标准化的软件接口，可对康复设备完成连接、校准、初始化及切换工作状态的功能。此外，接口模块的软件中设置有环形队列，搭配异步变频调度模块使用，可防止瞬时大批量数据写入造成康复设备过载的情况。
2、数据生产模块
该模块的技术细节如下：
数据生产模块的软件接口中设置数据采集接口、数据打包接口以及数据传输接口。
数据采集接口，通过计算机提供的硬件采集指令，采集通过USB口连接的诸如康复装置(力控信息、位置信息等)、摄像机(视频信息等)等设备的数据。
数据打包接口，设置一个定时器，每隔固定时间(t201)采集1次数据，并将采集到的数据、数据来源的设备名称及采集数据的物理时间打包成一个数据包。
数据传输接口，设置有一个定长的环形队列，将打包好的数据包按顺序存入队列中。用一个定时器(t202，t201整数倍于t202)定时从队列中取出未发送的数据包，按序传输至远端。
3、异步变频调度模块
此模块使用异步调度技术，担任数据枢纽中心，对接康复装备接口、数据生产、用户反馈、数据整流等模块。
4、数据整流模块
该模块的技术细节如下：
在该模块的硬件电路的存储器中维护一个帧号标志“当前帧”(CurrentTick)，其定义是对于近端(本地)的康复装备来说，力学控制算法当前处在双机互联成功后的第几帧。其作用是通过改变自身的值来实现软件进程的正常推进、后退和快进。
在网络的数据包中维护一个帧号标志“数据包当前帧”(Tick)，其定义是记录当前时间节点数据对应的CurrentTick，其作用是为给远端进行数据纠序提供基准。
在网络的数据包中维护一个类型标志“数据包类型”(Code)，其定义是记录当前数据包中数据的类型，其作用是为远端进行数据归类提供依据。
数据整流模块包括数据分流子模块、瞬时大量数据缓冲子模块、数据包归类子模块、数据队列纠序子模块、数据超载检测子模块、数据过载检测子模块以及数据过载维稳子模块。
数据分流子模块被配置为执行数据分流步骤。在该步骤中，客户端针对康复设备状态、用户输入指令及系统状态，将数据分为3类，通过“数据包类型”(Code)区分不同的数据类型，使用唯一的公共通信通道与远端进行交互。
瞬时大量数据缓冲子模块被配置为执行瞬时大量数据缓冲步骤。在该步骤中，客户端设置一个生产者消费者模型队列，收到远端数据包时增加生产者，再通过算法调配消费者进行消费，以此达到对瞬时大吞吐量数据的缓冲。
数据包归类子模块被配置为执行数据包归类步骤。在该步骤中，客户端设置一个分流器，通过远端数据包中的“数据包类型”(Code)进行分流，将不同数据存储在不同队列中。
数据队列纠序子模块被配置为执行数据队列纠序步骤。在该步骤中，客户端设置一个环形队列，以保存远端的数据包。客户端收到远端数据包后，根据当前数据包中的“数据包当前帧”(Tick)排序后插入环形队列中。
数据超载检测子模块被配置为执行数据超载检测步骤。在该步骤中，配置有一个环形队列储存数据，每次数据入队列时进行检测，如果队列当前数据量大于队列长度的80％且小于队列长度的95％，即超载。
数据过载检测子模块被配置为执行数据过载检测步骤。在该步骤中，配置有一个环形队列储存数据，每次数据入队列时进行检测，如果队列当前数据量大于或等于队列总长度的95％，即过载。
数据过载维稳子模块被配置为执行数据过载维稳步骤。在该步骤中，系统检测到“数据过载”时，将停止入队列操作，防止队列满载后，迫使计算机清空内存导致的系统状态丢失、数据丢失的现象。等待队列中的数据量降至队列数据总量的30％以下，此后恢复入队列操作。
5、用户反馈模块
该模块配置有一个LED灯带，通过灯带亮起的长度可知晓实时的系统承载能力。也可通过灯带颜色知晓系统状态，正常运转时，灯带为绿色，超载时为黄色，过载时为红色。
在本发明的另一个实施例中，还可以不在网络的数据包中维护帧号标志，忽略远端数据包抵达时的顺序，并按照实际接收到的顺序施加在力学部件(如电机)上。
在本发明的另一个实施例中，还可以对瞬时大批量数据不缓冲，不使用生产者消费者模型，收到远端数据包后直接加入队列，执行逻辑运算。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大批量数据交换方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据分流、瞬时大量数据缓冲、数据包归类、数据队列纠序、数据超载检测、数据过载检测以及数据过载维稳；
在所述数据分流步骤中，由客户端针对康复设备状态、用户输入指令及系统状态，将数据分为3类并赋予对应的数据包类型标志，通过所述数据包类型标志区分不同的数据类型，使用唯一的公共通信通道与远端进行交互；
在所述瞬时大量数据缓冲步骤中，由所述客户端设置一个生产者消费者模型队列，在收到远端数据包时增加生产者，再通过算法调配消费者进行消费，以实现对瞬时大吞吐量数据的缓冲；
在所述数据包归类步骤中，在所述客户端设置分流器，基于所述远端数据包中的所述数据包类型标志进行分流，以将不同数据存储在不同队列中；
在所述数据队列纠序步骤中，在所述客户端设置环形队列，以保存所述远端数据包；所述客户端收到所述远端数据包后，根据当前数据包中的“数据包当前帧”标志排序后插入所述环形队列中；
在所述数据超载检测步骤中，每次数据入队列时进行检测，如果队列当前数据量大于队列长度的80％且小于队列长度的95％，判定为数据超载状态；
在所述数据过载检测步骤中，每次数据入队列时进行检测，如果队列当前数据量大于或等于队列总长度的95％，判定为数据过载状态；
在所述数据过载维稳步骤中，当检测到存在所述数据过载状态时，停止入队列操作，等待队列中的数据量降至队列数据总量的30％以下，再恢复入队列操作。
2.一种用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，包括康复装备接口模块、数据生产模块、异步变频调度模块、数据整流模块以及用户反馈模块；
所述康复装备接口模块被配置为具有环形队列，与所述异步变频调度模块配合工作，以防止瞬时大批量数据写入造成所述康复设备过载的情况；
所述异步变频调度模块使用异步调度技术，担任数据枢纽中心，对接所述康复装备接口模块、所述数据生产模块、所述用户反馈模块以及所述数据整流模块；
所述数据整流模块包括数据分流子模块、瞬时大量数据缓冲子模块、数据包归类子模块、数据队列纠序子模块、数据超载检测子模块、数据过载检测子模块以及数据过载维稳子模块；
其中，所述数据分流子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述数据分流步骤；
所述瞬时大量数据缓冲子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述瞬时大量数据缓冲步骤；
所述数据包归类子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述数据包归类步骤；
所述数据队列纠序子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述数据队列纠序步骤；
所述数据超载检测子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述数据超载检测步骤；
所述数据过载检测子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述数据过载检测步骤；
所述数据过载维稳子模块被配置为执行如权利要求1所述的大批量数据交换方法的所述数据过载维稳步骤。
3.如权利要求2所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述康复装备接口模块包括一个包含网口及USB口的电路板，所述康复设备通过所述网口或所述USB口接入所述装置。
4.如权利要求3所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述康复装备接口模块被配置为通过标准化的软件接口，对所述康复设备完成连接、校准、初始化及切换工作状态的功能。
5.如权利要求2所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述数据生产模块包括数据采集接口，所述数据采集接口被配置为通过计算机提供的硬件采集指令，采集通过USB口连接的设备的数据。
6.如权利要求5所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述数据生产模块还包括数据打包接口，所述数据打包接口被配置为将按照第一时间间隔定时采集的数据、数据来源的设备名称及采集数据的物理时间打包成一个数据包。
7.如权利要求6所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述数据生产模块还包括数据传输接口，所述数据传输接口被配置为将打包好的所述数据包按顺序存入一个定长的环形队列，按照第二时间间隔定时从所述队列中取出未发送的所述数据包按序传输至远端；其中，所述第二时间间隔为所述第一时间间隔的整数倍。
8.如权利要求2所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述数据整流模块的硬件电路的存储器中维护“当前帧”帧号标志。
9.如权利要求8所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述“当前帧”帧号标志被配置为通过改变自身的值来实现软件进程的正常推进、后退和快进。
10.如权利要求2所述的用于康复设备的大批量数据交换装置，其特征在于，所述用户反馈模块配置有一个LED灯带，所述灯带亮起的长度反映实时的系统承载能力。
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